Introducción
La metodología empleada en esta discusión técnica, busca enfocar la atención s obre los aspectos más relevantes, concernientes a la producción del campo, apartando de momento los aspectos que puedan resultar triviales en el siguiente análisis. Por ejemplo: a) Según la siguiente distribución de producción del este campo, el 63% del aceite obtenido diariamente, es responsabilidad del bombeo electrosumergible, esto es:
DISTRIBUCION PRODUCCION ALS
4%
10%
3%
20% 63%
ES P
GL
RP
PCP
FN
Figura 1. Distribución de producción SOR
b) No obstante, de las 15 intervenciones efectuadas en lo que va corrido en el año, 10 corresponden al bombeo electrosumergible, y de esas 10 intervenciones, 5 de ellas promedian los 98 días de Run Life.
2. Pozos y RunLife de equipos que han fallado en la SOR
c) De acuerdo a una cotización de un proveedor de equipos, un equipo promedio ESP (sin incluir cable de potencia e incluyendo el impuesto), oscila alrededor de los US$288.000, de los cuales el 46% representa el valor de la bomba - separador y el 30% el precio del motor, es decir, el 76% del valor total son la bomba-sep y el motor.
REP / INTERC Factor de IT EM DESCRIPCION UNIDAD C ANTI DAD ILP nacio nalizacion y descuento Si / No % Dct.
PRECIO UNIT Sin PRECIO TOTAL IVA Con IVA
BOMBA SERIE 400 CENTURION, P18 134 ETAPAS + X resistente a la 1 corrosión (20%) + Eje de alta carga H6 H6 (20%) + SXD configuración AR ea 1.00 $ 117,230.80 0.675 S í 25% 1:1 (factor 6), Housing #15 (23.5ft). BOMBA SERIE 400 CENTURION, P18 134 ETAPAS + X resistente a la 2 corrosión (20%) + Eje de alta carga H6 H6 (20%) + SXD configuración AR ea 1.00 $ 117,230.80 0.675 S í 25% 1:1 (factor 6), Housing #15 (23.5ft). 3 BOMBA SERIE 400 CENTURION, MVP G22 XSSD 60ETAPAS. ea 1.00 $ 25,625.00 0.675 Sí 25% SELLO GSB3 + 30%X (resistente a la corrosión) + 8%G (geotermico) + 4 US$1429HL (zapata (zapata de alta carga) + US$462PFS (Sello premium) Serie ea 1.00 $ 10,235.86 0.675 SELLO GSB3 + 30%X (resistente a la corrosión)+ 8%GLT (geotérmico) 5 ea 1.00 $ 8,344.86 0.67 5 Sí 25% S erie 513 (6.9ft). MOTOR KMH + 30%X (resistente a la corrosión) + 8% G(geotérmico) 6 ea 1.00 $ - 0.675 No 0% Serie 562 228HP/1425VOLT/98 AMP. 7 SEPARADOR DE GAS 400FSVHV X TANDEM ENHANCED ENHANCED H6. ea 1.00 $ 29,518.00 0.675 Sí 25% SENSOR DE PRESIÓN CENTINEL PN 902634 + ELECTRONICOS DE 8 ea 1.00 $ - No SUPERFICI E CON 9 DESCARGA FXPDIS, Serie 400, 2 7/8 EUE EUE 8Rd. ea 1.00 $ 387.00 No 1 Materiales y tarifa de instalación ea 1 2 Dias de técnico adicional adicional dia 1 3 Dias de auxiliar adicional dia 1
$ 50.348
$ 58.404
$ 50.348
$ 58.404
$ 12.973
$ 15.049
$ 5.182
$ 6.011
$ 4.225
$ 4.901
$ 74.095
$ 85.950
$ 14.943
$ 17.334
$ 21.000
$ 24.360
$ 387
$ 449
$ 13.000 $ 850 $ 650
$ 15.080 $ 986 $ 754
Subtotal
$ 287.681
Fig. 3 Cotización de un equipo ESP promedio d) Revisando 50 casos de falla, y asignando probables causas raíces sobre los hallazgos efectuados en los teardown, se tiene que:
Causa raiz intervenciones a pozos SOP
Rediseño; 9; 18% Scale; 14; 28%
Falla material; 4; 8%
Corrosion; 1; 2% Operación downtrust; downtrust; 2; 4% Falla operacional; 3; 6%
Limpieza inadecuada pozo; 5; 10% Falla electrica; 7; 14%
Material fractura; 5; 10%
Fig. 4 Esquematización de las causas raíces de falla en las ESP d.1) Dado que el 28% de las intervenciones se debe a la presencia de material incrustante, se sugiere un programa de instalación de porta-cuponeras en las cabezas de pozos y en donde no se tenga tratamiento en fondo, instalar un sistema de recirculación de fluido de producción que empuje vía anular el tratamiento químico. Por todo lo anteriormente expuesto, la siguiente presentación busca hacer parte del esfuerzo mancomunado entre las diferentes áreas, a fin de disminuir los costos de extracción del aceite en el campo. Predicción de la productividad de un pozo
Debido a que el 18% de las intervenciones presentadas en los pozos analizados anteriormente, se debieron al rediseño de los levantamientos artificiales con ESP, es conveniente recordar algunos conceptos básicos sobre la productividad en los pozos. Uno de los principales problemas al intentar diseñar instalaciones de bombeo electrosumergible, es ingresar el índice de productividad adecuado, y cuando no se dispone de un buen modelo de yacimientos, existen técnicas menos rigurosas para predecir y construir las curvas sobre índices de productividad (IPR) futuros. De acuerdo a una presentación previa sobre índices de productividad (en video), es posible combinar tres de sus métodos, para predecir lo más exactamente posible el índice de productividad de un pozo; ellos fueron: Método de la Shell Oil Company – Eickmer y Petrobras o Composite. La inclusión de este ultimo método, tuvo lugar a objeto de considerar los efectos en el BSW en el IPR de los pozos, condición esta, que no es tenida en cuenta en los métodos de Vogel, no obstante, en el ejemplo considerado a continuación, las diferencias de este método con respecto al de Vogel no fueron acentuadas dado el bajo corte de agua del pozo, sin embargo se sugiere como un paso para futuras nuevas condiciones, en los que si se puede ver afectado el IPR calculado final.
Ejemplo
En un pozo, se tiene una historia de presiones de yacimiento y produccion acumulada entre el 2007 y 2009, (ver fig. 5). Adicional a lo anterior, el 11 de nov del 2008 se el pozo probo con 878 BFPD, BSW=6%. Con esta información se requiere conocer el comportamiento de productividad futuro de este pozo.
Llevando esta data a coordenadas semi-log, y uniendo los pares ordenados mediante una línea sus puntos, se puede obtener una correlación a partir de la línea generada, de tal modo que se pueda predecir la Pr a una Np futura. A mediados del 2009 se espera que la produccion acumulada se encuentre en 1.920.000 Bls, que corresponde a una presión de yacimiento, Pr de 1250 psi.
Fig. 5 Proyección Np vs. Presión de yacimiento
i.1) Teniendo en cuenta que los sub-índices 1 y 2 se refieren al tiempo presente, Dic-
2008, y el tiempo futuro, mediados del 2009, y utilizando las relaciones de Vogel y Ekmier, en la prueba realizada al pozo en el 2008, se tiene que:
Vogel
q / qomax1 = 1-0.2(Pwf / Pr)-0.8(Pwf / Pr)2
(Vogel)
;
qomax1 = 1267 BO
Composite
A = 1 - 0.2 * (P wf / Pr1) - 0.8 * (P wf1 / Pr1)2
J1 = q1 / (Fo * (Pr1 - Pb + Pb * A / 1.8) + Fw * (Pr 1 – Pwf1))
CG = 0.001 * q omax1
CD = Fw * (0.001 * qomax 1 / J1) + Fo * 0.125 * P b * (-1 + (81 - 80 * ((0.999 * qomax 1 - qb) / (qomax1 - qb))) ^ 0.5)
tanb = CD / CG
qtmax1 = qomax1 + Fw * (Pr1 – qomax1 / J1) / tanb ; qtmax1 = 1274 BFPD
Eickmer
qomax1 / qomax2 = (Pr1 / Pr2)3
(Eckmier)
; qomax2 = 1009 BFPD
i.2) De acuerdo a esta rata máxima futura esperada a mediados del 2009 (1009 BFPD),
y manteniendo la condición operativa de mas de 200 psi en la P wf2, se observó que al producir 900 BFPD, se obtenía una P wf2 =268, utilizando la siguiente relación sugerida por Petrobrás Pwf2 = Fw * (Pr2 - (q2 / J2)) + Fo * 0.0125 * P b * (-1 + (81 - 80 * ((q2 - qb) / (qomax2 - qb)))0.5)
J1 = q1 / (Fo * (Pr 1 - Pb + Pb * A / 1.8) + Fw * (Pr 1 – Pwf1)) = 1.34 Bls/psi
Las anteriores relaciones mencionan una guía bastante útil en el desarrollo de los campos y la obtención de IPR de buena aproximación, que puedan evitar de algún u otro modo rediseños futuros.
Principios de bombeo centrífugo
Siguiendo la metodología de concentrar nuestra atención en los principales elementos respecto al bombeo centrifugo, retomaremos un poco los conceptos más relevantes sobre este tema y sobre potencia eléctrica. Una bomba centrifuga se caracteriza de acuerdo a sus curvas de rendimiento, estas curvas se esquematizan en un gráfico de TDH vs. rata de flujo. La TDH se expresa en psi, pies de altura, mmHg, entre otras dimensiones.
Cuando se habla de agua fresca (60ºF), una columna de 2.31 pies ejerce un peso sobre su base de 1 psi. Si las condiciones o características del fluido cambian, el gradiente de 2.31 ft/psi debe ser dividido por la nueva gravedad específica, a fin de obtener la nueva cabeza dinámica ejercida sobre la misma base de presión de un psi, por ejemplo: La gravedad específica del agua caliente a 450ºF (232 ºC) es 0.822 ( γw-450ºF = 0.822), es decir, una columna de 2810 ft ejercerá una presión de 1000 psi en su base (2.31*1000 / 0.822) , por lo tanto, pozos c on alta temperatura y BSW, desarrollarán un mayor nivel de fluido sobre la succión de la bomba que otros fluidos de pozos que posean temperaturas mucho menores a la ebullición del agua.
Curvas características del bombeo electrosumergible
Para caracterizar el comportamiento de una bomba en un gráfico de cabeza dinámica total contra la rata de flujo, se superponen dos curvas
la curva de carga del sistema y la curva de rendimiento de la bomba.
A una velocidad específica de la bomba, la intersección de estas dos curvas, se define como el punto de operación de la bomba, es decir, esta será la rata de flujo y TDH que entregará esa bomba a esa velocidad en particular y a esa configuración de impulsor específica. TDH, ft Curva rendimiento de la bomba
Pto.
Curva de car a del
Rata B/D
Fig. 6 Curva de operación de una bomba centrífuga La curva de carga del sistema, hace referencia a las componentes de presión que son inherentes a la columna de fluido a levantar desde el fondo hacia la superficie, es decir:
Componente de altura estática + componente de carga friccional o dinámica + componente de aceleración del fluido
En un pozo totalmente vertical, el componente de altura puede alcanzar hasta el 70% de la perdida presión, la componente de fricción hasta el 28% y el componente de aceleración en ocasiones se desprecian, aunque a ciertas condiciones de flujo e inclinación de las tuberías se vuelve importante. Establecer las perdidas exactas de presión en el flujo de fluidos es bastante complicado, sin embargo, todas ellas dependen de la densidad de la mezcla, que a su vez depende de la viscosidad del fluido, datos estos que en ocasiones son difíciles de establecer con exactitud, es por ello que el Autograph nos permite adaptar las condiciones de ca mpo a las condiciones teóricas utilizando los modificadores de flujo o cabeza, máxime cuando el fluido se encuentra emulsionado.
C U R V A S D E R E N D I M I EN T O
ALTURA DINÁMICA
PUNTO DE OPERACIÓN DE LA BOMBA
C A M B ( L E I O S Y D D E E A V E F I N L O C I D A I D A D ) D
ALTURA ESTÁTICA
Fig. 7 Puntos característicos de una curva de comportamiento de la bomba
Las curvas de rendimiento de la bomba (en color azul, fig. 7) son desarrolladas en los
laboratorios por los fabricantes de las bombas, utilizando en ocasiones agua fresca como fluido de trabajo, para relacionar gráficamente la TDH vs. rata de flujo, de acuerdo a una característica específica de impulsor y a una velocidad en particular (algunas de estas curvas de rendimiento se amparan en la Norma API 610).
Cambio en las condiciones de operación de una bomba
El punto de operación de una bomba es un valor dinámico a través de la vida de operación del equipo. Para variar el punto de operación y funcionamiento de una bomba
electrosumergible, se debe cambiar la curva de rendimiento de la bomba o la curva de carga del sistema. El primer caso se obtiene variando la velocidad de la misma, N 1,
V e l o c i d a d , t f , H D T
N2
N
Curva de carga del sistema
1
N3
Carga dinámica
Carga estática Rata, B/D
Fig. 8 Cambio del punto de operación de una bomba variando la velocidad.
el segundo , al estrangular la línea de producción de la cabeza del pozo, se produce un incremento en la cabeza dinámica desarrollada por la bomba y una disminución en la rata de flujo, esto debido, a las pérdidas por fricción ocasionadas y a los cambios volumétricos en los fluidos de producción. Carga dinámica variable debido a la estrangulación del sistema t f , H D T
Carga estática Rata, B/D
Fig. 9 Cambio del punto de operación de una bomba estrangulando la cabeza del pozo
Leyes de afinidad
Las leyes de similitud o afinidad, en una ESP, tienen por objeto predecir el comportamiento característico de las curvas de rendimiento de una bomba a diferentes velocidades de giro (o diámetros de impulsor), dándose tres relaciones específicas:
-
Los cambios de velocidad en la bomba se reflejan proporcionalmente en las ratas de flujo desarrolladas.
q2 / q1 = N2 / N1
-
La cabeza dinámica total (TDH) varía en razón directamente proporcional , al cuadrado de los cambios de velocidad en la bomba TDH2 / TDH1 = (N2 / N1 )2
-
La potencia al freno varía en razón directamente proporcional , al cubo de los cambios de velocidad en la bomba, es decir P2 / P1 = (N2 / N1)3
Otra relación presentada es: NPSH2 / NPSH1 = (N2 / N1 )2
Es bueno aclarar que estas relaciones son plenamente válidas para cambios moderados en la velocidad de la ESP.
Ejemplo:
Una configuración de una ESP a 61 Hz de velocidad, bombea 1100 BFPD, desarrollando una cabeza dinámica de 6270 ft y requiriendo una potencia de 83 HP. ¿Qué rata de flujo, cabeza dinámica y potencia desarrollará a una velocidad menor de 50 HZ?
Condición1
Condición2
q1 /q2 = n 1 /n2
h1 /h2 = (n1)2 / (n2)2
P1 / P2 = n13 / n23
q2 = q1 * n2 / n1
h2 = h 1 * (n2)2 / (n1)2
P2 = P 1 * (n 2)3 / (n1)3
q2 = 1100 * 50/61 = 902 B/D
h2 = 6270 * 502 /612 = 4212 ft
P2 = 83 * 503 /61 3 = 45.7 HP
Fig. 10 Cálculos sobre la ley de afinidad
Las leyes de afinidad pueden extenderse a la incidencia que tienen cambios razonables en el diámetro del impulsor sobre las ratas de flujo, cabeza dinámica total y potencia desarrollada, esto es:
q2 / q1 = D2 / D1
TDH2 / TDH1 = (D2 / D1 )2
;
;
P2 / P1 = (D2 / D1)3
NPSH2 / NPSH1 = (D2 / D1)2
Formas de los impulsores
De acuerdo a la geometría del impulsor, si este fuerza al fluido a salir a manera de planos perpendiculares a partir de su eje , se dice que es radial (a), si da al fluido empujes axiales como radiales, se dice que es un impulsor mixto (b), o por el contrario si induce un movimiento al fluido con características concéntricas y espirales respecto al eje se dice que es un impulsor axial (c). Las primeros dos impulsores hacen parte de las bombas electrosumergibles, en tanto que el tercer grupo se les llama bombas axiales, y se utilizan principalmente para bombear grandes volúmenes a poca altura o TDH
Radial
Mixto
Axial
Velocidad específica
La velocidad específica, NS, se define como aquella velocidad en revoluciones por minuto a la cual un impulsor desarrollaría un CAUDAL unitario con una ALTURA unitaria , es decir: Ns = n * (q)1/2 / (TDH)3/4
n=RPM , q= g.p.m. , H=ft
La velocidad específica nos da la idea del diseño y eficiencia hidráulica que tiene el impulsor, sin embargo carece de significado físico para el ingeniero de producción. Se utiliza más bien como un número tipo, para diseñar características de operación y puntos máximos de rendimiento. La representación gráfica de acuerdo a la geometría y velocidad específica del impulsor es:
rata e f i c i e n c i a
velocidad D2
D1
Impulsor para flujo radial 1.7 < D2/D1 < 2.3
Impulsor para flujo mixto 1.3 < D2/D1 < 1.7
Axial D2~D1
Fig. 11 Relación velocidad específica, rata de flujo, eficiencia de flujo
Analizando la fórmula de velocidad específica se puede observar que: Ns = n * (q)1/2 / (TDH)3/4
La velocidad específica aumenta con la velocidad del impulsor y la rata de flujo, en tanto que disminuye con la cabeza dinámica desarrollada, TDH. De acuerdo a la gráfica, los impulsores de tipo mixto tienen mayores velocidades específicas con respecto a los
radiales, debido a que manejan mayores ratas de flujo por impulsor, aunque menor cabeza dinámica con respecto a los radiales. Para suplementar la pérdida de cabeza dinámica y disminuir la velocidad de giro en las bombas electrosumergibles con impulsores mixtos, se colocan bombas en tándem, a fin de obtener la cabeza dinámica requerida para elevar altas ratas de fluido desde grandes profundidades a velocidades de giro bajas, no obstante, este cambio hace más costoso cualquier equipo ESP con respecto a bombas que manejen impulsores radiales. Las bombas con impulsores de tipo radial entregan menores ratas, pero más cabeza dinámica, TDH, con un menor número de impulsores. Los impulsores de tipo mixto, debido a la menor relación entre D2 /D1, son impulsores más altos, de menor diámetro y con pocas aspas, lo que en teoría disminuye el consumo de potencia. En general, cualquier requisito rata-TDH puede ser manejado por muchos tipos de impulsores, operando a diferentes velocidades.
Por ejemplo, observemos las condiciones de funcionamiento de dos tipos de impulsores a las mismas condiciones de, 1200 BFPD, una TDH de 5000 ft y una velocidad de 57 Hz, sus curvas de comportamiento son:
Mayor TDH
5. Bomba ESP con impulsores tipo radial Menor espectro de ratas de flujo Impulsores radiales
Fig. 12 Bomba ESP con impulsores tipo radial
En el arreglo de impulsores radiales, la eficiencia del equipo oscila rá alrededor del 50%, el consumo de potencia será de 76 HP, sin embargo siempre se tendrá un mayor espectro de NPSH mas adecuado durante la vida productiva del pozo, entre 650 y 1350 BFPD (área sombreada).
Mayor TDH
Mayor espectro de ratas de flujo Impulsores mixtos
Fig. 13 Bomba ESP con impulsores tipo mixto
Para el arreglo de impulsores mixtos, la eficiencia es mayor (alrededor del 68%, es decir 18% más), el consumo de potencia será menor que el radial, (60 HP, 16 HP menos), pero la disponibilidad de NPSH a través de la vida productiva del pozo se ajusta menos a las condiciones productivas del pozo, entre 980 y 2400, es probable que las anomalías hidráulicas aparezcan más rápidamente en este equipo, además de que es un equipo que succiona muy fuertemente durante el arranque de la bomba, ya que maneja un mayor espectro de ratas de flujo.
Cabeza neta de succión disponible y requerida (NPSHD y NPSHR)
Hemos hablado anteriormente sobre la cabeza neta de succión disponible o requerida, detengámonos un poco en este concepto. Cuando el flui do se desplaza entre el intake y el impulsor de la bomba, este último le imprime un cambio de velocidad al fluido, causando una depresión en este pequeño tramo, que origina una acción de succión de parte del intake a los fluidos circunvecinos.
La NPSHD es la cantidad de energía con la que el fluido llega al intake de la bomba; esta variable es característica del sistema y es función de la presión anular, la sumergencia total sobre el intake de la bomba, las pérdidas de fricción ocasionadas durante la succión del fluido, la presión de burbuja del líquido, y la temperatura de operación.
La NPSHR es la energía mínima requerida sobre el intake de la bomba y que se encuentra por encima de la presión de burbuja del fluido a la temperatura de operación. La NPSHR es característica de cada bomba en particular, y es función de diversos factores como: forma, la configuración y el número de aspas del impulsor, el ángulo de ataque del fluido sobre el impulsor, las dimensiones del intake, velocidad específica del impulsor entre otros. Los diseñadores y fabricantes de bombas suministran a los usuarios el valor de la NPSHR, y sus esfuerzos se orientan en diseñar bombas que tengan el mínimo valor de NPSHR, y que sea satisfactorio para un requerimiento en particular, con el fin de que la disponibilidad en el sistema supere a la requerida por el equipo (área sombreada en las figuras 12 y 13)
NPSHD + 2 ft ≥ NPSHR (API 610)
A una velocidad dada, si se grafica en un eje derecho los valores de NPSH que cumplen la condición anterior, y proyectando estos valores sobre la curva de rendimiento de una bomba, se obtiene una serie de puntos característicos sobre esta curva.
H S P N
H D T Curva de rendimiento
Rata
A otras velocidades dadas, si repetimos el proceso de proyección de una nueva curva de NPSH (que cumple la condición anterior, NPSH D + 2 ft
≥
NPSHR), sobre otras curvas
de rendimiento obtenidas a diferentes velocidades (ley de afinidad), se obtiene una familia de puntos , iso-NPSH,
que podemos unir sobre las diferentes curvas de
rendimiento de la bomba, para obtener el rango de operabilidad o cono de eficiencia de la bomba, donde es probable que no haya inicio de problemas de cavitación, gráficamente esto es:
Obsérvese el cono de eficiencia desarrollado y limitado por las líneas verdes a lado y lado, de la curva del sistema en rojo. Los puntos corresponden a las condiciones de succión y descarga de fluidos en esta bomba. Si en la ventana “PumP”, hacemos consecutivamente clic en el ícono “graph” – “Fixed Frequency” – “as used”, se puede observar otra representación del rango de operabilidad eficiente de la bomba con una sola frecuencia,
El área sombreada corresponde entonces al rango de operabilidad de la bomba en donde se cumple la condición: NPSHD + 2 ft
≥
NPSHR (API 610). Otras características de la
gráfica son la curva de eficiencia (verde) y que se calcula utilizando los valores de rata de flujo, TDH y BHP o potencia al freno, asì:
pmpeff= q * (1day/1440 min) * head * (42 gal / 1 bbl ) * sg / ( BHP * RPM )
La curva de eficiencia es cortada en su máximo punto por la línea amarilla. La línea de potencia al freno es la roja y la de rata – TDH es la azul.
Como buena práctica es recomendable comenzar operando la bomba al lado derecho y cerca de la línea amarilla, ya que al disminuir la eficiencia a través de la vida productiva de la bomba, la rata disminuye tendiendo a trabajar en la zona de empuje descendente (downtrust), disminuyendo con ello el run life del equipo, por el continuo rozamiento de los faldones del impulsor sobre el difusor.
Principios eléctricos
Sabemos de antemano que la potencia activa en un sistema trifásico se define como: PT = √ 3 V L I L cos
Siendo el factor de potencia el coseno
,
del ángulo de fase entre las senoides de tensión
y corriente establecidas en el espacio fasorial, es decir FP = cos , luego la potencia activa P = √ 3 V L I L (FP) Ademas de lo anterior debemos recordar que la relacion entre el voltaje de salida y entrada en un transformador elevador se denomina la relacion de transformacion. De acuerdo a los conceptos basicos anteriores, enunciaremos la forma de configurar en campo un variador de velocidad, para ello se requiere conocer una informacion previa: - Voltaje del motor a 60 hz, el cual es obtenido de la placa del motor. - Amperaje del motor, igualmente tomado de la placa. - Calibre del cable instalado, tomado de los reporte de instalacion. - Profundidad a la que se instalara el motor, tomado de los reporte de instalacion. - Maxima frecuencia a la que podra funcionar el equipo, suministrado por ingenieria. - Maximo voltaje disponible a ala entrada, usualmente 480V - Temperatura del fondo del pozo, tomado del reporte de instalacion - Impedancia del transformador, se consigue en la placa de los mismos
- Caida de tension del cable, determinado en graficas o el dpto. de Mtto. i) Inicialmente establecemos la relacion voltios / hz, multiplicando el voltaje de placa del motor por la maxima frecuencia y dividiendo este valor por 60. Al anterior resultado se le adiciona las perdidas de voltaje en el cable y por ultimo se suma la perdida por impedancia en el transformador, es decir Las caracteristicas de la placa de un motor son: Voltaje del motor
1760V
Amperaje
105 amp
Maxima frecuencia
51.5 hz
Caida de voltaje
109 V
Impedancia del transformador (XFRM)
3.83%
Los calculos son: Volt. req en sup. = ( (1760 * 51.5 / 60 ) + 109 ) * 1.0383 = 1682 V ii) Despues de saber el voltaje que se requiere para la operacion del equipo, se procede a ubicar un voltaje inmediatamente superior en el XFRM sut (transformador de subsuelo), el cual es 1719 V. Con este valor se obtiene la relación de transformación, RT, que es la relación de cuantos voltios se requiere en el primario para obtener el valor del secundario, esto es: RT = 1719 V / 480 V = 3.58125. iii) Ahora se procede a configurar las caracteristicas del VSD, para ello se estandarizan las condiciones a 60 hz. El Voltaje en el secundario cuando la ESP trabaja a 60 hz es: ( 1682 V / 51.5 hz ) * 60 hz = 1960 V Dividiendo el anterior valor por la relacion de transformacion se obtiene el voltaje que entregaria el VSD a 60 hz, ( 1960 V / 3.58125 ) = 547.3 V , es decir la relación Volt / Hz = 547.3 / 60 hz = 9.12 Volt / hz, dado que el voltaje del motor es 1760 V @ 60 hz.
iv) Luego, la potencia que podra manejar el motor, considerando un FP=0.9, sera de: P (activa) = √ 3 * 1682 V * 105 amp * 0.9 / 1000 = 275 Kw * ( 0.746 HP / 1 Kw ) = 205 HP
Es decir, S = ( 275 Kw / 0.9 ) = 306 KVA, potencia aparente vi) Ahora procedemos a configurar las protecciones del equipo ESP
I. LIMIT. Es el valor de corriente que podrá incrementarse durante la operación del motor y que tiene que estar acorde con la capacidad del motor:
RT * Im = 3.58 * 105=375.9amp. = 376-1=375
Como estamos asumiendo que este valor es a la máxima carga del motor, ponemos a criterio del ingeniero ajustar un poco más bajo dicho parámetro, para prevenir picos altos de corriente que nos pueden ocasionar fallas de IOT.
I. LIMIT SYNC. Es el valor de corriente que se podrá dejar incrementar en el VSD durante el arranque del equipo y que será soportado por un periodo de tiempo establecido en un parámetro denominado SYNCH DELAY (generalmente es de 2 “).
I. limit Sync. = I.limit* 20% = 375amp * 1.2 = 450amp de I. limit Sync.
OVER LOAD. Es la protección que se le da al equipo y hace que el variador se detenga cuando el motor está siendo sometido a trabajar con su máxima carga por alguna condición irregular, dicha condición es controlada por : SEC O.L. TRIP, que regular mente no sobrepasa los 5”.
OL = I.Limit +1 = 376 + 1 = 377 amp,
- UNDER LOAD. Es el valor de la fase mas baja de corriente multiplicada por 0.8. Este valor permite al equipo trabajar a baja carga por un tiempo delimitado por el parámetro sec U.l Trip, el cual tiene que ser superior al tiempo de aceleración (Accel Time). Algunos técnicos de campo emplean el siguiente procedimiento cuando la bomba esta pegada:
- Ajustar over load al 150% en SEC O.L. TRIP = 5 seg.
- Ajustar “start frecuency” entre 10 a 12 MZ (lo más bajo posible debido a que el torque disponible es inversamente proporcional ala frecuencia de arranque.
-Sync delay = 2 a 5 seg
- V_boots Sync – Voltaje de refuerzo, 30 V
Otras causas comunes de fallas en los equipos ESP
Algunos otros antecedentes que en principio no parecen la causa raíz de las fallas de los equipos ESP, podrían tener origen en ellos. De acuerdo a la figura 4, el 14% se debió a fallas eléctricas, el 6% a fallas en el material y el 4% a equipos operando en downtrust, todos ellos en conjunto suman el 24%, magnitud bastante considerable para ser tenida en cuenta, razón por la cual tocaremos algunas causas especificas de fallas en los equipos, que eviten programas de re-acondicionamientos costosos.
-Cavitación
Es un fenómeno físico estrechamente ligado con el incumplimiento de la relación NPSHD + 2 ft ≥ NPSHR Se da por entendido que el inicio de la cavitación surge cuando las variables de comportamiento hidráulico de la bomba comienzan a alterar los valores de eficiencia de flujo, cabeza dinámica, potencia del equipo,…y no al estado en que se inician a formar burbujas,
Disminución brusca de las curvas características por efecto de la cavitación
El fenómeno de la cavitación puede comenzar cuando por razones de reducción hidrodinámica, la presión en el fluido de producción cae por debajo del punto de burbuja en algún lugar de la bomba, en principio, cuando las burbujas ingresan por el intake de la bomba, forman un conglomerado, que al ser re-comprimidas a su paso por las etapas, implosionan a modo de condensación súbita, golpeando el material con grandes valores de presión en forma de microjets, lo que deteriora todo en su camino, haciendo vibrar el equipo, y dejando a su paso estructuras porosas (con picaduras). Una buena práctica es llevar un registro histórico de las variables hidráulicas del equipo (eficiencia, por ej.), a fin de detectar caídas inusuales en los valores de operación del equipo. El fenómeno aumenta su aparición cuando las temperaturas en los fluidos son elevadas, especialmente en pozos con alto BSW. Por ejemplo a 50°F, una libra de agua ocupa 0.016 ft3, mientras que el vapor a la misma temperatura ocupa 2.441 ft 3. El vapor supera 153 veces el volumen del líquido. Cuando la temperatura alcanza los 212°F, una libra de agua ocupa 0.0167 ft” y una de vapor 26.81 ft 3, incrementando la razón a 1 605 veces, o sea, la relación vapor-líquido es diez veces mayor que el mismo líquido a 50°F. Por ello, cuanto mayor sea la temperatura del agua, mayor será la reducción en la NPSH disponible para bombear .Una propuesta de solución es, sub-enfriar el líquido; este método incrementa la (NPSH)D porque reduce la presión de burbuja del líquido que se bombea. Se logra con facilidad con la inyección del líquido en cabeza de pozo en algún punto en la corriente en que esté a temperatura más baja. En muchos casos, en particular con altas temperaturas de bombeo, la cantidad de líquido inyectado es muy pequeña. Por ejemplo, si se bombea agua a 325°F, la inyección de sólo 4% de agua a 175°F sub-enfriará el caudal al grado de que la NPSH D, habrá aumentado en 20 ft.
-Vibración
La vibración también puede ser inducida por la cavitacion que finalmente puede originar el desgaste de los difusores o impulsores, por la inestabilidad de la energía eléctrica, por la presencia de sólidos orgánicos o inorgánicos al interior de las etapas, entre otros. Sobra decir que al evitar la vibración se evitan re-acondicionamientos costosos, se incrementa la vida útil del equipo y se evitan pérdidas de producción debido a la respuesta en la reparación del equipo.
Los sensores de vibración son acelerómetros ubicados por debajo del motor, que detectan cambios inusuales en las velocidades del fluido debido a las anomalías hidráulicas presentadas al interior del equipo. Esta calibrado para leer unidades de aceleración “g” (32.174 ft/seg2 ) y en términos generales una ESP operaría normalmente a menos de 3g, valores por encima de 10g serían un motivo de preocupación. A continuación se presentarán unos casos de campo.
Condiciones normales de operación
La vibración es estable a menos de 0.5g y las condiciones iniciales corresponden a un llenado de la línea y adquisición de la temperatura de trabajo por parte del motor.
Frecuencia de resonancia
La resonancia es el reforzamiento de la frecuencia natural del equipo con una nueva señal vibratoria, que en esta ocasión no cumple patrones especiales de repetición, con ciclos de inicio y fin, y que podrían causar fallas prematuras en el equipo ESP. Si el período que adquiere la ESP coincide con el de la fuerza periódica de refuerzo, se dice que el equipo esta en resonancia. Si la fuerza que produce la vibración cambia, en los valores más altos la amplitud de la oscilación crece, y en los más bajos, el equipo ESP y la tubería de producción absorben ese arco de fuerzas, se destruye progresivamente los materiales del equipo, tendiendo a fallar por el punto más débil. Obsérvese que cuando se incrementa la velocidad en el equipo, la vibración también lo hace con oscilaciones de +/- 1.5g, esta es una característica propia de equipos funcionando en resonancia. La operación bajo resonancia debe ser evitada en lo posible.
Producción de arena
Observemos este caso de produccion de arena. El 19 de oct se tomo la decisión de incrementar la velocidad de giro de 56.4 @ 58.4 Hz para aumentar producción. La PIP comenzó a descender y las ratas de flujo a aumentar, debido al mayor drawdown sobre el yacimiento. El 23 de oct, la vibración pasó de lecturas de 1 a 3 y 4g. El mantenimiento en las lecturas de temperatura de motor y el intake, reflejan que no hay desgaste en el motor, sin embargo, cuando la velocidad de giro llegó a 58.4 Hz, empezó una oscilación errática en los valores de vibración (línea roja), lo que conllevo a que se tuviera que
disminuir la velocidad de giro a 58 Hz, lográndose al final un incremento de 1.6 hz solamente, en este punto se decidió parar los incrementos.
Pérdida de eficiencia de la bomba
La bomba operaba normalmente, pero con fuertes vibraciones erráticas, indicando probable producción de arena o cavitación. La PIP comenzó a incrementarse, alcanzando valores de 18g. Finalmente el equipo falló y se encontró que los faldones de las etapas estaban fuertemente destruidos cuando el RunLife era de 121 días. Como buena práctica estos equipos deben ser diseñados para operar en el cono de eficiencia, o en su defecto, si el pozo ya esta funcionando, se puede estrangular la cabeza del pozo a fin de ubicar el punto de operación lo más cercano al punto de máxima eficiencia.
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Depósitos incrustantes
La precipitación de depósitos inorgánicos u orgánicos al interior de los equipos ESP, es una de las causas de falla mas comunes en los equipos, en promedio entre el 30 o mas, de las inversiones en intervenciones a pozo analizados en varios campos que producen mediante bombeo electrosumergible, se originan a causa de la depositación de elementos incrustantes (scale) o fenómenos de corrosión, sobre esta base conviene tocar el tema de manera básica a fin de tener una mejor visual del problema. La formación de un scale, como el CaCO 3 , sucede cuando una solución altamente saturada de los iones Ca +2 y CO3-2, esta en continuo movimiento y contacto, estos iones tienden a atraerse, por ser cargas opuestas, uniéndose en forma de racimos (cluste r).
Cuando el cluster crece lo suficientemente se convierte en cristal, (el cual ya es una partícula microscópica), el proceso de fusión e lectrovalente continua hasta formarse un scale. Diversos factores refuerzan el grado de formación del scale, por ejemplo: - Concentración iónica: Si la cantidad de iones sobrepasan los límites de saturación (índice de saturación > 0) entonces es probable que se formen depósitos. - Las caídas de presión puede liberar CO 2 , el cual reacciona con el agua para formar HCO3 , cuyo ion reduce el pH y precipita CaCO 3 - La temperatura incrementa la velocidad de la mayoría de las reacciones, disminuyendo la solubilidad del ion en el fluido. Por ejemplo, la solubilidad del sulfato de calcio aumenta hasta 96ªF, pero a mayores incrementos de temperatura, la solubilidad disminuye. Por todo lo anterior, se tocaran algunos tópicos del tema, que el ingeniero puede utilizar como medidas de seguimiento y control de la información a fin de tomar las medidas preventivas a tiempo.
Monitoreo y control de los depósitos incrustantes
- Cupones de incrustación y corrosión
Fig. 14 Cupones
Los cupones se constituyen en una pieza clave en la detección de ambientes de produccion sobre-saturados. Son piezas fabricadas de una aleación similar al equipo inspeccionado (Fig. 14), utilizados como una herramienta de inspección, en pruebas de ganancia o pérdida de peso, tienen desde 6 orificios en adelante, los cupones de incrustación se instalan enfrentando al flujo (normal al flujo), con el objeto de suministrar una pequeña caída de presión diferencial y turbulencia al mismo. El tiempo de exposición depende de la experiencia que se tenga en campo con respecto a la
agresividad que tienen los fluidos de producción o la actividad corrosiva del medio, en algunas ocasiones, las condiciones reales puede ser ajustado a las ecuaciones de índice de saturación a fin de predecir el comportamiento de los depósitos a otras condiciones de produccion. Para el caso de los cupones de corrosión, el procedimiento de instalación, preparación e interpretación de los resultados se describen en la norma NACE RP-0775. Algunos cuidados adicionales no mencionados en la norma son: -Pesar y registrar fotográficamente antes de la inserción y después de la extracción, anotar cuidadosamente los datos, incluyendo el número consecutivo. -Instalarlo teniendo cuidado de no doblarlo durante su inserción, y que se ubique normal al flujo, en cupones de incrustación y axial al mismo para los de corrosión. - Los depósitos recuperados deben ser almacenados cuidadosamente, marcados y llevada su contra muestra para análisis de laboratorio DRX (técnica muy aceptada en la comunidad, que consiste en la interpretación de los rayos difractados por los cuerpos cristalinos, cuando son expuestos a haces de luz incidentes a ciertas inclinaciones de iluminación, ley de Bragg). Los resultados obtenidos a partir de los cupones se miden como tasas de depositación. La tasa de depositación se mide como la ganancia de peso por pulgada cuadrada mediante la relación:
Td = [ (Pd – Pl ) * 1000 / A * t ]
Td = Tasa de depositación, mg/día; Pd = Peso del cupón con depósito, gramos Pd = Peso del cupón limpio, gramos; A = área del cupón, pul 2 t = tiempo de exposición, días.
Usualmente las empresas categorizan los niveles de depositación como:
- Caracterización de los depósitos encontrados en campo
Una vez observado el depósito, durante la intervención de los pozos o extracción de los cupones, la muestras deben conservarse en frascos secos o bolsas plásticas herméticas, etiquetándolas con datos como: fecha de muestreo, localización del punto donde se obtuvo la muestra, método de remoción de la muestra, tiempo durante el cual se formo el deposito, problemas ocasionados por el deposito, datos de análisis fisicoquímico del agua, temperatura del agua, métodos empleados para evitar la depositación. La caracterización de las muestras incrustantes se hace utilizando el patrón N-1454 que habla de los análisis de residuos en las facilidades y ductos de Petrobrás, los pasos de identificación de la muestra sirve de apoyo al ingeniero para cualificar la muestra, es decir: -Si disuelve en xileno caliente, derrite a T>125°F, flota en agua, disuelve en diesel caliente, el deposito es parafinico - Si disuelve en xileno caliente, no derrite a T>125°F, no disuelve en diesel caliente el deposito es asfalténico - Si es soluble en agua es una sal - Si el deposito es magnéticamente débil, racciona fuertemente al acido clorhídrico, adquiriendo un color amarillo, con olor a hediondo, el deposito es sulfuro de hierro. - Si la reacción al acido es débil y adquiere un color amarillo el deposito es Fe 2O3 - Si es fuertemente magnético, reacciona débilmente al acido y adquiere color amarillo el deposito es Fe 2O4. - Si reacciona muy fuertemente al acido, y adquiere color amarillo es un carbonato de hierro, FeCO3. El anterior procedimiento se combina con una difracción de rayos X para dar con exactitud el tipo de depósito.
-Predicción de la precipitación de los depósitos incrustantes
Cuando dos iones de un fluido reaccionan, solamente las cantidades que exceden la concentración de saturación precipitan, las condiciones de pH, presión, temperatura, concentración iónica que influye en esta precipitación se mide mediante el índice de saturación. Existen diferentes métodos de predicción como Staff & Davison, Thompson,
entre otros. Adjunto a esta presentación se suministraran algunos de los programas mencionados, para entrenamiento personal futuro.
- Control químico de los depósitos incrustantes
La mayoría de los inhibidores de incrustación evitan el crecimiento de los cristales, otros bloquean la formación de nuevos cristales, pero en general todos mantienen los iones en solución y evitan que estos se precipiten y formen nuevos depósitos. El EDTA (ácido etilendiaminotetraacético) por ejemplo, es un agente quelante (secuestrador) que tiene 4 grupos carboxilos y 2 aminos que suministran electrones, para reaccionar con los iones metálicos encontrados en las aguas de producción, y de esta manera los vuelve solubles en agua y prácticamente no disociables. Usualmente el residual del producto debe mantenerse en 10% de la concentración total aplicada, y en gran parte cuando el volumen de fluidos lo permite la concentración debe mantenerse como mínimo en 2.5 ppm. Para calcular de dosificación de un producto de inhibición es: gal / dia (producto inhibidor) = 0.000042 * rata de flujo a tratar * concentración(p.ej. 30 ppm
A continuación se presentan los principales inhibidores de incrustación encontrados en la industria, sus características y desventajas. TIPO
ESTERES ORGANICOS
CARACTERISTICAS Y BENEFICIOS
-Prácticamente controlan mucho más cualquier tipo de scale que otros productos. - El residual es fácilmente detectable.
DESVENTAJAS
Cuando el producto se expone por largo tiempo a más de 180ª se degrada.
- Es un producto económico - El residual es fácilmente detectable. FOSFONATO
-El producto resiste hasta 350ªF
POLIMEROS
- Trabajan perfectamente a T<450ªF
Requiere mayores dosis que los esteres orgánicos No se puede determinar su residual y son ineficientes en aguas con 3000 ppm de con centración
